Để in mạch vừa vẽ, bạn thực hiện các bước sau: - ChọnOption -> Post Process Settings - Nhấp chuột phải vào lớp muốn in (vd: lớp BOTTOM), chọn Preview
76 - Chọn như hình dưới rồi nhấpOK
Kết quả:
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
77
Chương 4: Mô phỏng bằng PSPICE
4.1 Tổng quan về phần mêm mô phỏng Pspice 4.1.1 Giới thiệu về Pspice
Kỹ thuật điện là ngành khoa học nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện, từ nhằm biến đổi năng lượng và tín hiệu, bao gồm việc thu hập , gia công, xử lý, truyền tải tín hiệu
Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị điện tử, người ta thường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồ mạch điện tương đương. Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị điện tử hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu đặt ra.
Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuy nhiên hiện nay, khi mà các thành phần của một mạch tích hợp có kích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các vi mạch này trở nên rất khó khăn, Bên cạnh đó, những tác động vật lý, âm thanh, ánh sáng,...không ảnh hưởng đến mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vi mạch. Vì vậy, việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền bạc
Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm mô phỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xây dựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng như việc thay đổi các thông số kỹ thuaaj cũng như khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làm việc của mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trường hợp, tình huống khác nhau
Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm là tính chính xác của mô hình. Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì việc mô phỏng là vô nghĩa
Spice(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) là một chương trình tính toán mô phỏng và mô hình hóa các mạch điện tử tương tự được phát triển từ những năm 1970 tại đại học California ở Berkeley
Pspice(Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mại được phát triển từ Spicevaf trở thành phần mềm mô phỏng phổ biến nhất trên thế giới. Pspice cho hép chúng ta mô phỏng các thiết kế trước khi di vào xây dựng phần cứng. CHương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát họa động của mạch cũng như những thay đổi của các tín hiệu đầu vào hoặc các giá trị của các thành phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế để xem chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. Pspice chỉ mô phỏng và tiền hành các phép đo kiểm tra chứ không phải là phần thiết kế của mạch điện
4.1.2 Các tính năng của Pspice
Pspiceđược đưa ra thị trường nhiều phiên bản khác nhau, mỗi phiên bản cung cấp các tính năng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu khách hàng.
78
Pspice A/Dlà chương trình dùng để mô phỏng các mạch điện tương tự và số. Các tính năng chính của
Pspice A/D:
- Phân tích xoay chiều, một chiều, quá độ: Tính năng này cho phép chúng ta kiểm tra các đáp ứng cảu mạch điện khi được cung cấp đầu vào khác nhau. Cụ thể :
+ Phân tích một chiều (DC Analysis): Cho phép xác định điện áp định mức và trị số dòng điện cho tất cả các nút của mạch bằng cách quét toàn bộ giá trị của điện áp trong một khoảng do người dùng định nghĩa. Điều này có ý nghĩa khi muốn xác định đường đặc tính của các mạch điện có chứa các phần tử phi tuyến như: diode, transistor,.. hoặc muốn xác định điện thế định mức của các mạch khuếch đại
+ Phân tích quá độ (Transient Analysis) : nhằm dự đoán các trạng thái của mạch khi có các sự kiện quá độ xảy ra
+ Phân tích xoay chiều (AC Analysis) : mô phỏng hồi đáp tần số của mạch điện, tức là ta có thể quan sát được các trạng thái của mạch điện khi tần số của nguồn điện thay đổi trong một dãy cho trước. Dựa vào đó đó ta có thể tìm thấy tần số cộng hưởng của mạch
- Phân tích tham số, độ nhạy, giá trị giới hạn: với những tính năng này chúng ta có thể quan sát những biến đổi của mạch điện khi thay đổi các giá trị của các thành phần của nó
- Phân tích thời giancủa các mạch số cho phép tìm ra sự cố về thời gian xuất hiện khi kết nối các tín hiệu có tần số thấp trong quá trình truyền dẫn tín hiệu
Pspice A/Dcũng cung cấp các mô hình hóa về các ứng xử của các thiết bị tương tự và số, vì vậy chúng ta có thể mô tả các hàm chức năng của mạch điện sử dụng các biểu thức và hàm toán học. Do đó có thể xây dựng và phân tích các đặc tính phức tạp của thiết bị thông qua mô hình toán học. Các mô hình hóa được xây dựng trongPspice A/Dkhông chỉ là các điện trở, điện cảm, điện dung mà còn có các mô hình sau :
- Mô hình dây dẫn, bao gồm độ trễ, độ dội, tổn hao, tán xạ và tạp âm - Mô hình của cuộn dây từ phi tuyến, bao gồm độ bão hòa và từ trễ - Mô hình của MOSFET
- Mô hình của transisitor trường có cực điều khiển cách ly IGBT MOSFET - Mô hình của các phần số với vào ra tương tự
4.2 Các bước tiến hành mô phỏng và phân tích mạch điện
Để khảo sát một mạch điện nói chung cũng như một mạch điện tử công suất nói riêng ta tiến hành theo các bước sau:
- Xác định mô hình các phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện. Đa số các phần tử này đều có trong thư viện mô hình của chương trình, tuy nhiên trong một số trường hợp ta phải xây dựng thư viện mới. Việc xây dựng mô hình mới đòi hỏi am hiểu sâu sắc về kỹ thuật điện- điện tử bởi vì mô hình phải phản ánh đúng đặc điểm và tính chất vật lý của thiết bị thực. Mô hình càng gần với thực tế thì kết quả phân tích càng đáng tin cậy. Mặc dù vậy, trong một số trường hợp, khi khảo
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
79
sát một số đặc tính nào đó thì ta chỉ cần mô hình hóa các tham số, thông số liên quan đến đặc tính đó, tránh gây ra những phức tạp không cần thiết
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch điện cần nghiên cứu. Cần phải đảm bảo chắc chắn rằng sơ dồ nguyên lý được xây dựng là đúng đắn
- Chuyển đổi từ chương trình nguyên lý sang chương trình mô hình hóa theo ngôn ngữ chuyên dụng của phần mềm ( đối với phiên bản hiện tại củaPspicethì việc này là hoàn toàn tự động ). - Thiết lập các thông số của sơ đồ và các tham số khảo sát
- Tiến hành khảo sát:
+ Chạy thử chương trình với chế độ quen thuộc mà kết quả đã biết trước để kiểm tra độ chính xác của mô hình
+ Khi mô hình hoạt động đạt độ tin cậy thì ta tiến hành nghiên cứu vói các chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt ra
Cụ thể vớiPspice A/DtrongOrCADta tiến hành theo 3 bước: - B1: Thiết kế mạch bằngCAPTURE
+ Tạo một dự ánAnalog Or Mixed A/D
+ Đưa vào các phần tử
+ Nối dây và hoàn chỉnh sơ đồ mạch - B2: Xác định kiểu mô phỏng
+ Tạo tệp tin mô tả
+ Xác định kiểu phân tích: 1 chiều, xoay chiều, quá độ, thời gian, tần số + ChạyPSPICE
- B3: Quan sát kết quả: + Thêm các đường đồ thị + Phân tích dạng sóng
Kiểm tra tệp tin đầu ra nếu cần + Lưu và in kết quả
4.3 Thiết kế mạch bằng CAPTURE
Về phần Capture tôi đã hướng dẫn cụ thể cho các bạn ở phần trên, nên phần này tôi chỉ hướng dẫn những gì liên quan tới Pspice.
4.3.1 Tạo 1 project mới
Khởi động cửa sổ làm việc củaCapture.Chọn File -> New -> Projectđể tạoprojectmới Cửa sổNew projectxuất hiện
80
Trong cửa sổ này, bạn gõ vào tên tập tin trong phầnName, chọn thư mục để lưu trữ tập tin trong phần
Location. Trong thẻCreate a New Project Usingbạn đánh dấu vào ô tròn thứ nhất :Analog or Mixed A/D. NhấnOkđể đồng ý tạoProjectmới
Lúc này trìnhCapturemở ra một cửa sổCreate Pspice Project, bạn hãy chọn mụcCreate a blank Projectđể trìnhCapturemở ra trang vẽ trắng
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
81
Với việc liên thông với trìnhPspice A/Dthì thanhCapturecó thêm thanh công cụ để hỗ trợ cho việc liên thông vớiPspice
Ở đây tôi sẽ mô phỏng mạch dao động sử dungICđịnh thời555, loạiICnày được dùng rộng rãi trong mạch điện tử tương tự. Sơ đồ nguyên lý của 1 mạch tạo xung dùng555như sau:
Các linh kiện có trong mạch: IC 555/ ANL-MISC.OLB R/analog
C/analog VDC/source GND
Các bạn thực hiện việc lấy linh kiện và đi dây để hoàn thiện mạch như hình trên Lưu ý:
- Thư viện để sử dụng cho trình mô phỏng Pspiceđược lấy trong thư việnpspicetheo đường dẫn mặc định là:\capture\library\pspice
82
điện G và nguồn áp phụ thuộc dòng điện H )
Source:bao gồm các loại nguồn dòng và nguồn áp độc lập như VDC, IDC, VAC, IAC, VSIN,VEXP, xung,... Và nhiều thư viện khác chứa các thành phần của mạch điện như các linh kiện điện tử công suất: diode, transistor, thyristor, mosfet, các cổng logic, các thiết bị giao tiếp
- Các điểm nối của mạch được đánh dấu bằng các số nguyên dương, trong đó bắt buộc phải có nút số 0 và luôn được hiểu là điểm đất ( Ground ). Điểm 0 này rất quan trọng vì khi chạy chương trình máy sẽ tính toán điện áp giữa mỗi nút trong mạch điện với điểm đất này trong từng bước tính
Để lấy điểm 0 ta kích chuột vào biểu tượng bên thanh công cụ hoặc nhấn phímG. Hộp thoạiPlace Groudhiện ra, ta chọn thư viện SOURCEvà chọn ký hiệu 0
- Việc vẽ mạch bằngCaptuređể phục vụ cho trình mô phỏngPspicephải tuyệt đối chính xác từ việc chọn linh kiện đến nói dây và các thông số linh kiện, như vậy việc mô phỏng mới đảm bảo được
- Với các mạch dao động bạn phải đặt vào mạch một điều kiện khởi đầu ( lênhIC:Initial
Condition). Hãy mở của sổPlace Partvà chọn thư việnSpecialrồi chọn tên linh kiện làIC1. Bạn hãy nhấp chuột lên chữ “IC” để ghi vào mức volr khởi đầu ( vd : 0V ).
4.3.2 Hoàn thiện bản vẽ
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
83
Các nút lưới: Danh sách các nút lưới bao gồm toàn bộ các phần tử của mạch được liệt kê theo cấu trúc đã được quy định. Để tạo ra các nút lưới từ sơ đồ mạch nguyên lý, ta dùng lệnhPspice -> Create netlist
từ thực đơn của chương trình. Danh sách này được lưu trong tệp tin có đuôi .net và được quản lý bằng trình trình quản lý dự án, ta có thể chọn vào tệp tin này để xem nội dung bên trong của nó. Và đây là nội dung của tệp tin ứng với mạch đang xét:
nếu có thông báo lỗi , bạn hãy kiểm tra lại sơ đồ mạch cho đến khi nào không xuất hiện lỗi nữa thì chúng ta tiến hành xác định kiểu phân tích và mô phỏng
4.4 Phân tích và mô phỏng
4.4.1 Xác định kiểu phân tích và mô phỏng
Trước hết hãy nhập chuột vào biểu tượng để mở trang phân tích mạch. Cửa sổ New Simulation xuất hiện:
gõ vào ôNametên của trang phân tích. Nhấn phímCreateđể mở cửa sổ chọn kiểu dạng phân tích. Giao diện như sau:
84
Trong thẻAnalysis,mụcAnalysis typecó 4 lựa chọn kiểu phân tích chính:
- Bias poit:dùng xác đinhj điều kiện phân cực DC của một mạch điện. Tính toán xong, ta sẽ có các mức áp DC trên các đường mạch và có dòng điện chảy qua các nhánh của mạch
- DC Sweep: dùng quét thông số DC để phân tích các đặc tính của các linh kiện điện tử. Như vẽ các đường cong đặc tính của diode, transistor, scr, triac, các cổng logic,..Khảo sát mạch với các mức nguồn nuôi DC khác nhau...
- Time Domain ( Transient ):dùng phân tích các mức áp trên các điểm của mạch điện lấy theo biến thời gian ( ở đây trục X lấy theo biến thời gian ). Nó có công dụng như bạn đang dùng một máy hiện sóng nhiều tia để xem các tín hiệu trên các điểm nối của mạch điện.
- AC Sweep/Noise:dùng phân tích các mức áp trên các đường nối của mạch điện thoe biến tần số và góc pha ( trục X lấy theo biến tần số hay biến góc pha ). Nó dùng để vẽ ra đường cong đáp ứng biên tần, pha tần của mạch.
4.4.2 Thực hiện mô phỏng
Trong ví dụ trên, ban đầu bạn hãy chọn cách phân tích làBias Pointvà nhấnOKđể đồng ý ChọnPspice -> Run( hoặc biểu tượng trên thanh công cụ )
Để quan sát kết quả của quá trình mô phỏng phân tích 1 chiều, ta có thể mở tệp đầu ra hoặc quay trở lại sơ đồ mạch và kích vào biểu tượng ( cho phép hiển thị điện áp dịch )hoặc ( dòng điện dịch ) hoặc ( công suất tiêu tán trên các phần tử )
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
85
Kết quả của quá trình phân tích:
Điện áp định thiên Dòng điện định thiên
Công suất tiêu tán
Tiếp theo chúng ta chọn cách phân tíchTransient( TrụcXlấy theo biến thời gian ). ở dạng phân tích này bạn chỉ cần gõ số vào các ô trống ( xem hình ):
86
Ô Startsaving data after: xác định thời điểm bắt đầu cho hệ tín hiệu
ÔMaximum step size:chọn bước in ( bước in càng nhỏ thì tín hiệu in ra sẽ càng net, hình càng đẹp nhưng tập tin dữ liệu ghi lại trên đĩa sẽ lớn và thời gian phân tích sẽ kéo dài hơn ).
Sau khi đã chọn xong thì nhấn phímOKđể trở lại trang vẽ. Chọn đầu dò Volt và gắn vào vị trí của chân ra OUTPUT số 3 của IC 555. Nhấn chọn Run để xem kết quả phân tích:
Trong trang đồ thị này, chúng ta thấy tín hiệu ra trên chân số 3 của IC555 có dạng xung vuông. Lúc này muốn xem tín hiệu trên điểm nào của mạch điện thì đặt ống dò ngay trên điểm đó.
Nếu như cùng lúc bạn đặt ống dò trên 2 chân số 6 và số 3. Chúng ta sẽ thấy tín hiệu trên chân 3 là dạng xung vuông, còn trên chân 2,6 là dạng tín hiệu răng cưa, cả hai cùng hiện trên 1 đồ thị
Hướng dẫn sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện tử OrCAD Chương 4. Mô phông PSPICE
87
88
Trên vùng làm việc củaPspice, bạn nhấp chuột vào 2 trục của đồ thị để thay đổi tọa độ và lưới hiển thị sao cho phù hợp với nhu cầu của bạn
Bạn cũng có thể xem các đường biễu diên khác. Mở của sổ add trace bằng lệnhTrace -> add trace...
hoặc biểu tượng trên thanh công cụ. Trong cửa sổFunction or Macro, bạn chọn hàm cần xem, trong thanhTrace Expressionchọn biến cần quan sát, nhấnOKđể xem: